谭靖夷院士在中国水利水电工程第二届砂石生产技术交流会上的讲话

1附件三谭靖夷院士在中国水利水电工程第二届砂石生产技术交流会上的讲话各位专家、各位代表：很高兴有机会参加第二届砂石生产技术交流会。2005年我参加了在贵阳花溪召开的第一届砂石生产技术交流会。从那次会议到现在三年半，时间不长，但由于我国水电开发，正处于高峰期，在建工程装机容量高达8000万kw之巨，尤其是一批包括长江三峡、小湾、溪洛渡、锦屏等特大型工程的兴建，对工程安全质量要求十分严格，工程所在地的水文、地形、地质条件十分复杂，不论修建什么类型的大坝，尤其是混凝土坝，其原材料面临着多样化，特别是人工砂石骨料岩性面临着多样化。建设条件尽管越来越复杂，技术上的难度越来越大，但经济效益、环保、生态等方面的要求却越来越高，而且一年比一年高，这是很尖锐的矛盾。如果我们的砂石骨料生产技术不能相应的发展和提高的话，就跟不上水电大发展的要求。客观形势给我们造成了很大的压力，不是你想不想，而是你必须敢于面对，否则就可能使一些工程陷于被动状况。现在一批300m级或以上的高坝（包括混凝土坝、面板堆石坝、心墙堆石坝等），都已经摆在我们的面前。例如小湾拱坝原设计坝高为292m，施工过程中加高到295m。锦屏一级拱坝更高达305m，怒江的马吉大坝也属300m级，可以建拱坝，也可建面板堆石坝。因此，形势逼着我们需要将筑坝水平和筑坝技术进一步提高。而筑坝水平和筑坝技术的发展和提高离不开筑坝材料和加工技术的发展和提高，两者密切相关。筑坝材料和加工技术如果落后，将阻碍高水平筑坝技术的发展和提高。现代筑坝技术的发展集中在三大坝型。一是高拱坝，高拱坝的优势是可以充分利用有利的地形、地质条件，做到工程量小、节省投资，从而提高经济效益。在我国西南高山峡谷地区不难找到适合建高拱坝的坝址。而高重力坝却难以与高拱坝抗衡，现在世界上最高的重力坝仍然是瑞士的大狄克逊坝，其坝高达280多米，目前还没有一座重力坝比它更高。为什么难以更高，因为重力坝的工程量与坝高的比例大于其二次方，坝愈高就愈不经济。只要地形、地质和其他条件允许，我国修建300m级高拱坝已不存在技术上的障碍了。今后还将向更高的拱坝发展。但有些坝址的地形、地质等条件难以适应高拱坝的要求，而不得不建较高的重力坝。高重力坝要节省投资，现在主要是采用碾压混凝土。我国碾压混凝土筑坝始于福建坑口，以后有贵州的普定，直到最近建成的广西龙滩重力坝。龙滩重力坝最终的坝高为216m，分两期施工，目前为192m。也就是说200m级的碾压混凝土重力坝已经胜利建成了，且质量优良。已建成的碾压混凝土重力坝坝高和龙滩接近的还有贵州北盘江光照，但工程量比龙滩小。近期建成的还有广西右江的百色，福建的棉花滩、云南的大朝山、湖南的江垭等都是已建成的坝高110-130m的碾压混凝土重力坝。还有乌江上一系列碾压混凝土重力坝，如索风营、彭水、思林、沙沱等。碾压混凝土拱坝，先有坝高75m的普定，后有坝高130m的沙牌，乌江支流上的大花水拱坝比沙牌更高。在白鹤滩水电站项目可行性研究报告审查的会上，有专家建议在白鹤滩高拱坝中下部采用碾压混凝2土，白鹤滩与溪洛渡拱坝一样，坝高270-280m，属于300m级高拱坝。为什么在溪洛渡没有提出，因为龙滩工程当时还在建，还没有经过实践的考验。我国的碾压混凝土筑坝经验集中在龙滩大坝的建设实践中，个人认为是很成功的。龙滩一开始并不是全碾压混凝土坝，有一个认识发展过程。最初确定采用常态混凝土坝而不是碾压混凝土坝。由于我国碾压混凝土发展迅速，筑坝技术越来越成熟，龙滩采用碾压混凝土的高度从开始限于100m，后来提高到150m，最后全部才采用碾压混凝土。碾压混凝土坝与常态混凝土坝的主要区别在于，它的用水量低，胶凝材料用量小并高掺粉煤灰。粉煤灰不仅价格低，如果不利用还得占用土地。而且粉煤灰掺量大，混凝土产生的水化热小，可简化温度控制。大家可能会问，过去我们为什么怕搞碾压混凝土呢？主要是担心层面结合不好。现在这个问题基本解决了，这与砂石料生产技术的发展和提高是有密切相关的。再一个大有发展前途的坝型是混凝土面板堆石坝。混凝土面板堆石坝也有个发展过程。我国现已建成一批200m级的面板堆石坝，例如天生桥一级、三板溪、洪家渡等，即将全部建成的水布垭面板堆石坝，最大坝高达230多米，面板坝最主要材料虽是堆石，但技术有很严格的要求。混凝土面板需具有很高的抗裂性和耐久性，其下的半透水垫层，是需要加工的级配料。下游作反滤保护的过渡料，对级配也有一定要求。堆石料也并不简单，它有干密度、空隙率和模量等要求，使沉降值能控制在合理与安全范围内。以上三种坝型和相应的筑坝技术都对筑坝材料有相应的要求，因此，砂石料生产技术也应跟上去，在此次中国水利水电工程第二届砂石生产技术交流会上，阮光华、车公义、刘志和等同志对砂石料的发展作了综合性阐述，全面地总结和概括了我国砂石料生产技术的发展，我表示赞同。以下分三个层次谈砂石骨料的生产技术。一是满足什么样的技术要求，二是怎样做到经济，三是怎样做到环保。首先谈技术性能。技术性能的复杂性在于生产砂石料必须遵循就地取材的原则，不宜从数十以至一百公里以外取砂石料。上个世纪80-90年代建设五强溪水电站时，人工砂石料生产虽在乌江渡取得了成功，但技术上并不成熟，而且乌江渡的混凝土工程量并不是很大，坝也不特别高（165m），所以大家脑子里一直还想用天然砂石料。由于料场位于坝址下游达80km，运输费过高。最后还是选定在坝址右岸开采加工人工砂石料。当时开采的岩层曾命名为石英砂岩，但因为岩层的平均石英含量高达84%，最高超过90%，遂改称石英岩。石英岩是强磨蚀性材料，施工初期生产遇到了重大困难。为减轻困难，曾考虑开采距坝址26km的灰岩料场，仍因运距太远而放弃，但通过五强溪工程，终于攻克用特硬岩生产人工砂石料的难关。漫湾水电站是澜沧江最先开发的工程，坝址附近既有花岗岩，又有流纹岩，当时首先考虑用较易开采加工的花岗岩，但最终选定了流纹岩。为什么没有用花岗岩呢？花岗岩有个特点，除了少数工程外，大部分风化层很厚，而且变化较大。漫湾对花岗岩料场勘探只在山脚挖了两3条平洞，就作出了风化层较薄的乐观结论，推荐花岗岩作为一号料场，在开采了60万m3以后，才发现山顶风化层太厚，而被迫放弃。上述两例说明，就地取材生产人工砂石料必然要面对母岩的多样性。据粗略统计，我国作为人工砂石骨料开采的母岩已经有十余种之多。假如细分一下将更多。例如灰岩就有不同的岩性，比较纯的灰岩，其优点是无碱骨料反应，具有热膨胀系数低，加工破碎后粒型好，抗拉强度相对较高，但极限拉伸值低。而含燧石的是硅质灰岩，可能有碱硅盐反应，一般不宜选用还有白云质灰岩，这是向家坝工程前几年面临的重大问题。向家坝在一段较长时间内将料场选在离坝址约18km的双河料场，后经详细勘探，其中有一半岩层有碱碳酸盐反应，这种化学反应中的碱是可以循环的，是骨料中的“癌症”，无药可治，最后才不得不舍近求远，选定现在的太平料场。太平料场为灰岩，各项性能良好。在料源选择过程中，还考虑过坝址附近的新滩砂岩，其缺点是强度偏低，加工破碎后石粉含量很高，此外剥采比也很高，约为1：1，并存在碱硅酸盐反应，只好放弃。我国用作骨料的还有花岗岩、片麻岩、正长岩、玄武岩、砂岩、流纹岩、大理岩、辉绿岩、凝灰岩、混合岩。这些岩石都曾在各个不同工程上成功地用作骨料料源。个人认为，首选还应该是灰岩，因为它有很多好的特性。二滩工程采用的正长岩也是很好的岩石，加工出来的骨料粒型好，从粗骨料到粒径最小的砂都是立方体，没有尖的棱角，不存在针片状，因此混凝土用水量小，且热膨胀系数适中，极限拉伸值高，有利于抗裂。不同的岩石存在着各种不同的问题。例如玄武岩常有凝灰岩夹层，影响砂石骨料质量，白鹤滩的玄武岩中也夹有凝灰岩，现正在考虑到更远的地方找灰岩料源作为备用。这说明人工砂石料生产加工面临着许多复杂的问题，我们必须勇于面对，不能说没有某种料就不建大坝。现在对砂石骨料的性能要求越来越高。过去我们讲砂石料料源，大家公认，一是具有适当的强度。强度低于40Mpa的岩石不宜用作骨料。二是碱活性。三是吸水率，岩石吸水率高就表示湿抗压强度下降，脱水比较困难。对生产加工来讲，无论是粗骨料还是细骨料级配最好均匀的连续。超逊径不是一个绝对的指标,但如果超逊径过多，混凝土拌合用水量要跟着波动，从而影响质量。还有一个针片状问题，针片状越多用水量越大，对混凝土的抗压抗拉强度都有影响。还有云母含量等多种有害物质都必须控制。骨料的热膨胀系数、混凝土的极限拉伸值都是很重要的指标。经过近年一些工程的实践，碱骨料反应越来越得到重视，认识越来越深刻。1958年到1962年建设柘溪水电站时，对碱骨料反应已有初步的认识，但认识不深刻。柘溪当时有两个天然砂石料场，一个料场距坝址不到6km，另一个料场距坝址15km。6km的砂岩料场含有燧石、蛋白石、玉髓等碱活性反应强的矿物成份，虽距坝址较近，但必须放弃。举这个例说明过去对碱骨料反应已有一定的认识，只是现在对碱活性反应认识更明确了。上述向家坝双河灰岩料场岩层有碱碳酸盐反应，而新滩料场也有碱硅酸盐反应，所以把两个料场都放弃了。如果不存在碱骨料反应问题，就不会选择太平料场。锦屏一级料源选择是又一工程实例。锦屏一级印把子沟料场的砂岩，通过试验有较强的碱4硅酸盐反应，较一般的花岗岩、玄武岩碱硅酸盐反应更为强烈。碱硅酸盐反应一般可掺用粉煤灰予以抑制，锦屏一级粉煤灰，掺量拟加大到35%，对常态混凝土来讲属于高掺量。而现仍确定在三滩用大理岩制砂，说明印把子沟砂岩碱硅酸盐反应的严重性。试验表明，与全砂岩人工骨料比较，如果仍用砂岩作粗骨料，而改用大理岩制砂，即使不掺用粉煤灰，其碱活性膨胀率已控制在规范允许范围内。在此基础上再掺用粉煤灰，可确保锦屏一级工程今后长期安全运行。采用砂岩制粗骨料、大理岩制砂的混合料是人工砂石料料源选择的一项重大创新。这项创新始于溪洛渡工程，溪洛渡采用玄武岩制粗骨料和灰岩制砂的混合料，其优点是既可以大量利用玄武岩开挖料，特别是洞挖料，而从坝址上游附近开采灰岩可降低人工砂生产成本，还可以减小混凝土热膨胀系数。正在筹建中的白鹤滩工程也可能采用类似混合料。但采用混合料有一个前提条件，必须是细骨料热膨胀系数小于粗骨料热膨胀系数或二者相近。这涉及到混凝土内部微裂缝问题，不拟详述。龙开口电站选择白云岩为骨料料源，贵州猫跳河曾大量使用白云岩风化砂，未发现有问题。白云岩是否存在碱碳酸盐反应，与它的结晶形态有关。隐晶和微晶结构有碱活性反应，希望采取慎重态度。此外一个重要问题就是岩石的加工性能。各种不同的岩石适用的破碎设备和工艺流程是不同的。阮光华同志对这个问题已经进行了论述，我赞同他的意见。应该重视对不同岩石的岩性展开详查，搞清楚不同岩石的加工性能；但是有些问题不是容易暴露出来的，而是在开采和生产过程中才暴露出来，不是取几千吨料做加工试验可以发现的；所以不宜把重点放在生产性试验，而是要进行小型的更精细的岩性试验。水电系统目前还没有这种试验单位，冶金系统已经有了。对大型工程要做精细的岩性试验。根据试验成果确定加工设备工艺可能更可靠，有条件时也可以做一些大型试验，但不宜单纯依靠大型试验。这次我们着重交流各种设备的适用性，我赞成大家的意见。粗骨料的加工相对比较简单，可供选择的机型有旋回破碎机、圆锥破碎机、反击式破碎机等，可根据岩性选用设备。最核心的技术是制砂，这些年我国制砂技术发展很快。过去是湿法生产，在乌江渡用棒磨机制砂，并用洗泥机洗泥，生产出来石粉含量较多。用螺旋洗砂机把细砂洗掉，控制石粉含量在8%～12%。我国规范将≤0.16㎜粒径称为石粉,其中在0.16㎜～0.08㎜部分应该称细砂，≤0.08㎜部分才是石粉,国外称细料，相当于水泥粒径，可视为惰性掺合料。对人工砂的要求，常态混凝土小于0.16㎜石粉含量一般按8%～12%控制，但加大到15%或更高也是可以接受的。对碾压混凝土就不一样了，≤0.08㎜的细料含量不宜小于8%，含量偏低将影响碾压混凝土的可碾性和凝聚性。大朝山工程施工初期生产的砂小于0.08㎜粒径含量只有4%～5%，相当于美国的上静水。该工程细料含量虽偏低，水泥加粉